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Cyclope - 14/03/2000 1 Une galaxie, comment ça tourne? Comment se repérer dans l’espace (distances et vitesses) Découverte de la rotation des galaxies.

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1 Cyclope - 14/03/ Une galaxie, comment ça tourne? Comment se repérer dans l’espace (distances et vitesses) Découverte de la rotation des galaxies et de la structure spirale La machine galactique, évolution des galaxies Environnement, interactions

2 Cyclope - 14/03/ Se repérer dans l’espace Mesurer les distances Parallaxe: Chandelle standard: Décalage spectral: Déplacement des étoiles proches relativement aux plus lointaines en fonction du point de vue (effet stéréoscopique) Quelques milliers d’années-lumière Etoiles dont la luminosité (puissance) peut être obtenue sans connaître leur distance (étoiles pulsantes Céphéides) Quelques millions d’années-lumière A cause de l’expansion de l’univers, la lumière qui nous provient des galaxies lointaines est rougie proportionnellement à leur éloignement A priori à l ’infini, mais on ne parle plus de distances...

3 Cyclope - 14/03/ Se repérer dans l’espace Mesurer les vitesses Une seule méthode: l ’effet Doppler Cet effet ne permet de mesurer que les vitesses radiales c’est à dire dans la direction de l’observateur.

4 Cyclope - 14/03/ Premières observations de galaxies Au 18 ème siècle, pour éviter de fausses découvertes de comètes, Messier entreprend le premier catalogue d’objets nébuleux. Parmi ces objets se trouvent des galaxies, bien qu’à l ’époque elles ne soient pas identifiées comme telles.

5 Cyclope - 14/03/ A la découverte de notre voisinage

6 Cyclope - 14/03/ La structure spirale de la Voie Lactée Les étoiles et amas proches ne sont pas distribués au hasard, mais suivant des structures allongées et « concentriques ».

7 Cyclope - 14/03/ Principe de la reconstruction des positions à l ’aide de la vitesse. La structure spirale de la Voie Lactée Les bras spiraux de la Voie Lactée Diagramme Position-Vitesse du plan Galactique.

8 Cyclope - 14/03/ La structure spirale dans les autres galaxies M 31 SbNGC 2997 ScNGC 1313 Sd-Irr M83 SABc M100 SABbc NGC 1365 SBb

9 Cyclope - 14/03/ Quelques définitions... Unités: 1pc = m Echelles caractéristiques Notre plus proche voisine (M31 ou la galaxie d’Andromède = 731 kpc) Amas de la Vierge = 18 Mpc Bras spiraux Bulbe central « Inter-bras » Traînées de poussière interstellaire Disque galactique

10 Cyclope - 14/03/ Toutes les galaxies spirales tournent... La cause de la rotation des galaxies est la force de gravité. Mais la matière qui donne naissance à cette force reste mal connue... En jaune, courbe de rotation attendue du fait de la matière connue En rouge, courbe observée Matière noire

11 Cyclope - 14/03/ Une autre structure en rotation: la spirale La spirale, où se concentrent les étoiles bleues, est une seconde structure en rotation dans le disque des galaxies. Mais contrairement aux étoiles, ça n’est pas une structure physique. C’est une onde, et elle tourne à une vitesse différente de celle des étoiles.

12 Cyclope - 14/03/ Exploration de la structure spirale Composite Visibleproche-infrarouge (1.25µm) Dans le visible et le proche infrarouge, la spirale est assez diffuse, on distingue le disque de la galaxie M 51

13 Cyclope - 14/03/ Exploration de la structure spirale Recombinaison de l'Hydrogène (H  ) Ultra-violet non-ionisant Dans l’ultra-violet, on ne voit plus que la spirale, et elle est très fragmentée.

14 Cyclope - 14/03/ Le diagramme H-R Couleur Soleil Plus une étoile est lourde et jeune, plus elle est chaude, plus elle émet de rayonnement ultra-violet. Les cartes de galaxies en ultra-violet nous montrent les régions où se forment les étoiles. La structure spirale matérialise les régions de formation stellaire

15 Cyclope - 14/03/ Formation stellaire: la machine galactique La structure spirale nous désigne le lieu où se forment les étoiles d’une galaxie. Cette structure se déplace dans la galaxie. De ce fait, la matière entre et sort de la structure spirale de façon régulière. C’est le cycle de la matière galactique, la base de l ’évolution des galaxies. Quels sont les ingrédients de ce cycle? Comment fonctionne-t-il? Comment se régule-t-il?

16 Cyclope - 14/03/ Ingrédients de base: le gaz atomique NGC 628 Contours: gaz atomique Niveaux de gris: disque stellaire M 101 Niveaux de gris: gaz atomique le disque stellaire a un diamètre de 10 minutes d'arc Le disque de gaz est 3 à 4 fois plus étendu que le disque stellaire

17 Cyclope - 14/03/ Ingrédients de base: gaz moléculaire M 101 Niveaux de gris: étoiles Contours: gaz moléculaire Le gaz moléculaire se trouve principalement à l'intérieur du disque stellaire M 51 Contours: gaz moléculaire

18 Cyclope - 14/03/ Principe de la formation d’étoiles Au passage du bras, le gaz est comprimé. La compression déclenche la formation d’étoiles. Avant la sortie du bras, les plus massives explosent en supernova. En sortie du bras, seules les étoiles de faible masse, à durée de vie longue, survivent.

19 Cyclope - 14/03/ Détail des régions de formation stellaire Stratification du milieu interstellaire autour d'étoiles massives

20 Cyclope - 14/03/ Détail des régions de formation stellaire Exemple de deux régions de formation d’étoiles massives et de leur impact sur l’environnement

21 Cyclope - 14/03/ Mécanismes d’auto-régulation "Destin" d'un nuage de gaz dans une galaxie: l'effondrement (malgré la présence de champ magnétique et/ou turbulence) "But" de la galaxie: retarder cet effondrement (perdurer) - Empêcher le nuage de perdre son énergie - Injecter de l'énergie Meilleur moyen: former des étoiles, sources d'énergie radiative d'énergie cinétique Source principale: Les étoiles massives (les plus chaudes) qui terminent leur vie en SuperNovae

22 Cyclope - 14/03/ Forte influence du spectre stellaire et de la densité Mécanismes d’auto-régulation Les différentes voies de transfert de l'énergie émise par les étoiles Ionisation du gaz Photo-dissociation Chauffage de la poussière h > 13.6 eV absorbé par le gaz près des étoiles - création des régions HII (émission H  ) - excitation collisionnelle (e-) des raies de structure fine l'UV non-ionisant dissocie les molécules - destruction des nuages moléculaires Chauffage de ce gaz par collision avec e- La poussière peut absorber le rayonnement de l'UV au visible Elle est source d'électrons de "chauffage" pour le gaz

23 Cyclope - 14/03/ Mécanismes d’auto-régulation Sources:- Explosions de supernovae - Vents d'étoiles Explosion de Supernovae Génère l'expansion d'une bulle de gaz chaud (et enrichi) Développement d'instabilités à l'interface avec le milieu ambiant Chauffage Injection d'énergie Dispersion du milieu interstellaire Injection/accélération des rayons cosmiques Interaction avec le milieu interstellaire à grande échelle

24 Cyclope - 14/03/ Mécanismes d’auto-régulation: un exemple Région de formation stellaire massive dans le Grand Nuage de Magellan En rouge, gaz ionisé observé en rayons X: 1 million de K En vert, recombinaison de l’hydrogène: quelques K En bleu, émission dans l’ultra-violet: étoiles massives Formation d’un amas globulaire 30 Doradus

25 Cyclope - 14/03/ Mécanismes d’auto-régulation Pour équilibrer l'influence des étoiles il existe une série de mécanismes intervenant aux interfaces des différentes phases Exemples contre la dissociation contre l'ionisation contre le chauffage du gaz re-formation des molécules à la surface des grains mécanisme d'auto protection (effet de densité) recombinaison (effet de densité) Existence de raies de refroidissement efficaces ([CII], [OI]) L'équilibre entre ces différents mécanismes règle l'évolution du taux de formation stellaire et donc celle de la galaxie

26 Cyclope - 14/03/ L’environnement galactique: perturbations... Tant qu’une galaxie est isolée, les mécanismes décrits précédemment lui permettent de contrôler son évolution. Mais les galaxies sont rarement isolées... le groupe local

27 Cyclope - 14/03/ Interactions gravitationnelles Visible Radio La gravité arrache le gaz des galaxies satellites, perturbe leurs mécanismes internes et déclenche des flambées de formation stellaire M 82 M 81

28 Cyclope - 14/03/ Interaction gravitationnelle: ici aussi! Notre galaxie détruit lentement ses deux plus proches voisins: les Nuages de Magellan

29 Cyclope - 14/03/ Interaction gravitationnelle: collisions La collision de deux galaxies spirales entraîne les sursauts de formation stellaire les plus violents de l’univers. Les structures en « antennes » sont le signe indubitable de l’interaction gravitationnelle.

30 Cyclope - 14/03/ Quand la densité augmente: groupes et amas Les groupes sont des ensembles d’une dizaine de galaxies. Certains sont « dilués » comme le nôtre. D’autres sont compacts et les effets d’interaction y sont nettement plus violents Noter l’apparition de galaxies elliptiques (possible résultat de la fusion de galaxies spirales)

31 Cyclope - 14/03/ Quand la densité augmente: groupes et amas Amas de Coma Les amas de galaxies renferment un nombre très important de galaxies elliptiques dont on pense qu’elles proviennent de la fusion de plusieurs galaxies Amas de la Vierge

32 Cyclope - 14/03/ Evolution des amas: harcèlement galactique Coma, 300 kpc, aujourd’hui Un amas, 300 kpc, il y a 4 milliard d’années Au cours du temps, les spirales disparaissent, au profit des elliptiques: elles sont détruites par interaction gravitationnelle et leur gaz est entièrement transformé en étoiles.

33 Cyclope - 14/03/ Evolution des galaxies: simulations Collision symétrique Collision asymétrique


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